Критерии выбора POL-преобразователей

23 октября 2023

PoL-преобразователи, в том числе с цифровым управлением – неотъемлемая часть современных систем распределенного электропитания. Специалисты компании MORNSUN рассказывают о критериях их выбора и о преимуществах данных изделий, выпускаемых этим известнейшим китайским производителем.

Содержание

• Что такое PoL-преобразователь?
• Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе PoL-преобразователя
• PoL-модули компании MORNSUN – большое, скрытое в миниатюрном
• Заключение

Что такое PoL-преобразователи?

PoL-преобразователи или импульсные преобразователи, размещаемые рядом с нагрузкой (point of load), применяются в распределенных системах электропитания (DPA) для питания микропроцессоров, специализированных БИС/СБИС и других компонентов цифровых устройств.

В настоящее время широко применяются распределенные системы электропитания с промежуточной шиной (рисунок 1). В этих системах основное питающее напряжение сначала понижается достаточно мощным изолированным DC/DC-преобразователем до некоторого промежуточного значения, из которого PoL-преобразователи формируют различные напряжения, необходимые для питания конечных узлов. Благодаря наличию на входе изолированного источника питания дополнительная гальваническая изоляция в месте установки PoL-преобразователей, как правило, уже не требуется. Поэтому PoL-стабилизаторы обычно представляют собой неизолированные маломощные DC/DC-преобразователи.

Рис. 1. Схема распределенного электропитания с промежуточной шиной

Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе PoL-преобразователя

Распределенные системы электропитания с двойным преобразованием напряжения, подобные описанной выше, получили широкое распространение благодаря своей простой и понятной структуре, низкой стоимости, а также хорошей устойчивости к динамическим нагрузкам. Кроме того, применение такой системы позволяет снизить потери преобразования за счет использования меньшего входного напряжения, а также улучшить стабильность выходного напряжения, что благоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках и эффективности системы в целом.

При выборе модулей PoL-преобразователей разработчик должен учитывать (рисунок 2) такие характеристики, как диапазоны входного и выходного напряжения, допустимые габаритные размеры, а также КПД. Также не следует забывать про совместимость по выводам. Далее этот вопрос рассматривается более подробно.

Рис. 2. Выбор PoL

Большой выходной ток, стабильность при динамически изменяющейся нагрузке, высокая точность установки выходного напряжения

Ток, потребляемый микросхемами DSP, ПЛИС, ASIC и других быстродействующих цифровых микросхем, прямо пропорционален их тактовой частоте, поэтому PoL-модули должны обеспечивать большой выходной ток. Современные микросхемы обычно быстро переключаются между рабочими режимами (режим максимального быстродействия, режим ожидания, спящий режим), одновременно с этим соответствующим образом изменяются тактовая частота, напряжение питания ядра (Vcc) и потребляемый ток, поэтому PoL-модуль должен стабильно работать в условиях динамически изменяющейся нагрузки. Быстродействующие микросхемы, особенно те, для питания которых требуются низкие рабочие напряжения, имеют очень малые допуски на отклонение напряжений питания, поэтому блок питания для цифровых систем должен иметь высокую точность установки выходного напряжения, обеспечивающую нормальную и стабильную работу ИС.

Компактность

Место на печатной плате, как правило, ограничено, поэтому к достоинствам PoL-модулей можно отнести экономию этого места, особенно в сравнении с дискретными решениями. Также не следует забывать о падении напряжения на шинах питания. Чем меньше габаритные размеры PoL-модуля, тем ближе к нагрузке можно его установить. Это позволяет уменьшить длину и сопротивление проводников линий питания, что влечет за собой уменьшение падения напряжения на них и увеличение устойчивости к электромагнитным помехам. В результате увеличивается стабильность и надежность работы схемы.

Совместимость по выводам в соответствии со спецификациями DOSA и POLA

Стандартизацией устройств электропитания занимаются два альянса: DOSA (Distributed-power Open Systems Alliance — Альянс открытых систем с распределенным питанием) и POLA (Point of Load Alliance – Альянс источников питания, размещаемых рядом с нагрузкой). Задача этих организаций – обеспечить совместимость по выводам между DC/DC-преобразователями разных производителей. Такая совместимость позволяет заменять одно изделие другим (при изменении конструкции или модернизации устройства) без переработки соответствующих схем и ускоряет вывод продукции на рынок.

Широкий диапазон входного напряжения

Напряжение первичной шины питания обычно понижается импульсными DC/DC-преобразователями с усиленной изоляцией до значений 5 или 12 В постоянного тока, поэтому лучше, если PoL-модули будут иметь широкий диапазон входного напряжения для использования в системах с разным напряжением промежуточной шины.

Регулируемое выходное напряжение

В распределенных системах электропитания для питания каждой нагрузки используется отдельный PoL-модуль. Высокоскоростные ИС, такие как ОЗУ, ПЛИС, CPU/GPU, DSP и ASIC, требуют различные напряжения питания в диапазоне от 0,6 В до 5,0 В. Возможность регулировки выходного напряжения PoL-преобразователя позволит использовать одну и ту же модель для формирования всех требуемых напряжений.

Низкий уровень пульсаций

Наличие сильных пульсаций на выходе PoL-преобразователя может привести к появлению ошибок, связанных с неверной оценкой уровней при обработке высокоскоростных импульсных сигналов, или даже к сбоям системы.

Высокая эффективность

Эффективность — еще одна характеристика, про которую нельзя забывать при выборе PoL-модулей. Даже небольшое ухудшение КПД отдельного PoL-модуля может привести к значительному снижению КПД всей системы электропитания и вызвать повышенное тепловыделение. Это может ухудшить надежность системы и увеличить затраты на ее эксплуатацию.

Перспективные тенденции: цифровое управление

Стремительное развитие цифровых технологий дало сильный толчок разработке PoL-модулей. В результате на рынке стали появляться модули, которые могут обмениваться данными с другими устройствами. Их также называют цифровыми источниками питания. Параметры таких ИП можно задавать и контролировать внешними устройствами, используя стандартные протоколы, такие как PMBUS. Цифровые PoL-модули привлекают все больше внимания.

PoL-модули компании MORNSUN – большое, скрытое в миниатюрном

По мере роста сложности устройств увеличивается ценность таких ресурсов, как место на печатной плате и время разработки. Применяя интегрированные PoL-модули, разработчики могут тратить меньше времени на разработку системы электропитания и сосредоточиться на проектировании критически важных узлов системы, что позволит ускорить вывод продукции на рынок.

Компактные импульсные высокоэффективные PoL-преобразователи с выходным током 6…60 А, выпускаемые компанией MORSUN, как правило, имеют регулируемое выходное напряжение с точностью установки ±1%, высокий КПД, быструю реакцию на скачкообразное изменение нагрузки, низкий уровень пульсаций, а также поддерживают функции контроля работоспособности (сигнал PGOOD), контроля выходного напряжения на нагрузке и дистанционного управления. Кроме того, эти PoL-модули имеют широкий диапазон рабочих температур – от -40 до 85°C, удовлетворяют требованиям ассоциаций DOSA и POLA, а также совместимы по выводам с массово выпускаемыми модулями других производителей.

В частности, компания MORNSUN предлагает PoL-преобразователи серии K12MT с выходным током 6…16 A, предназначенные для использования в информационных системах общего назначения (рисунок 3). Изделия данной серии имеют широкий диапазон входного напряжения от 4,5 до 14,4 В и обеспечивают регулируемое выходное напряжение (TRIM) от 0,6 до 5,5 В (от 0,6 до 3,63 В для модели с выходным током 16 А) с погрешностью не более ±50 мВ. Все указанные характеристики реализованы в компактном SMD-корпусе.

Рис. 3. PoL-преобразователи серии K12MT

Поскольку к надежности большинства разрабатываемых систем предъявляются повышенные требования, разработчики переходят к использованию цифровых источников питания с шиной PMBus, отличающихся улучшенными характеристиками. Применение цифровых источников питания, конфигурируемых с использованием протокола PMBus, не только упрощает контроль потребляемой мощности, но и позволяет своевременно обнаруживать проблемы с питанием и реагировать на них, тем самым обеспечивая безопасность системы. Модули питания серии KD12T с выходным током 40…60 А, предлагаемые компанией MORNSUN, несмотря на небольшие габариты, обеспечивают выходное напряжение с погрешностью до ±10 мВ, допускают объединение двух модулей в параллель, а также поддерживают такие функции, как дистанционное управление, контроль работоспособности (сигнал PGOOD), контроль выходного напряжения на нагрузке, внешняя синхронизация и регистрация отказов.

Модуль цифрового источника питания KD12T-60A может отдавать до 60 А по одному выходу или до 30 А по двум выходам. Модуль имеет диапазон входного напряжения от 7,5 до 14,4 В постоянного тока и обеспечивает регулируемое выходное напряжение от 0,6 до 4,5 В постоянного тока, которое можно устанавливать внешним резистивным делителем или посредством команд PMBus. Также в составе модуля имеется внутренний контур компенсации реального времени, ускоряющий реакцию на скачкообразное изменение нагрузки.

Рис. 4. Цифровые PoL-модули серии KD12T

Заключение

По мере развития технологий глобальной коммуникации увеличивается частота используемых для этой цели сигналов, а также скорость передачи и обработки соответствующих данных. Цифровым микросхемам, которые занимаются обработкой этих данных, как правило, требуется несколько источников питания с различными напряжениями, что усложняет жизнь разработчикам. Компания MORNSUN предлагает широкий ассортимент POL-преобразователей, позволяющих организовать надежное и эффективное электропитание самого разного электронного оборудования. Применение этих POL-модулей позволяет оптимизировать трассировку печатных плат, значительно сократить время на проектирование и отладку системы, ускорить время выхода на рынок, а также уменьшить затраты на все описанные этапы.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО Компэл